基于光电传感器寻迹智能车的研究.docx

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基于光电传感器寻迹智能车的研究

基于光电传感器寻迹智能车的研究

摘要

随着近年来，智能化交通工具被广泛使用，智能汽车的设计和开发，将从根本上改变现有汽车的信息采集处理、数据交换、行车导航与定位、车辆控制的技术方案与体系结构。

本文提出并设计了一种基于Freescale公司HCS12单片机系列设计的无人控制式智能车系统模型，主要论述了采用MC9SXS128单片机控制，通过光电效应识别有黑色引导线，白色路径的道路方案，能够过最小曲率半径50厘米的小弯，同时采取减速策略，同时在过波浪弯的情况下，使车尽可能的稳定，智能识别十字交叉黑线，在直道上采用加速策略。

全文由制作智能车的背景概述、硬件电路的设计、机械的调整、软件的设计四部分组成。

介绍了系统的开发背景、单片机技术、光电检测技术；综合论述了系统的要求和功能设计，并给出了系统整体构架；对主要硬件电路系统进行了电路原理图的设计，通过数据线连接单片机系统，对其进行指令控制，并设计软件的流程框图，用C语言编程。

并论述了传感器在当今智能系统中所承担的重要地位。

系统的制作过程中主要利用MC9SXS128的强大功能，如多级中断，计数器实用，多通道PWM调制，锁相环超频工作灯功能。

该设计具有一定的实用性与前瞻性，基于目前社会对于智能化的迫切需求，家用汽车将来的发展趋势也将越来越趋向智能化，无人驾驶将会不再是梦想。

关键字：

智能车；MC9SXS128；光电检测；路径识别；PWM调制；C语言编程

TheResarchBasedOnPhotoelectricSensorOfTrackingIntelligentCar

ABSTRACT

Fromthebeginningoftheseyear,intelligenttransportationiswidelyused,thedesignanddevelopmentofintelligentvehiclewillfundamentallychangetheexistingthetechnologysolutionsandsystemstructureofcarfrominformationcollectionprocessing,dataexchange,trafficnavigationandpositioning,vehiclecontrol.ThisthesisputforwordanddesignamicrocontrollerofunmannedintelligentvehiclesystemmodelbasedonFreescalecompanyHCS12familydesign,mainlydiscussestheintelligentcarwhichtakescontrolofMC9SXS128MCUcontrolthroughthephotoelectricidentificationofroadsystemoftheblackguidelinesandthewhitepath.Theintelligentcarcanmakealeastcurvatureofminimumcurvatureradiusof50cmwhiletakingtheslowstrategywhichcanmakethecarassteadilyaspossible.Italsotaketheintelligentidentificationofcrossedblacklinesandmakeacceleratedstrategyonthestraightpath.

Thewholepassagehavefourparts——anbackgroundofintelligentvehicle,thehardwarecircuitdesign,themechanicaladjustmentandsoftwaredesign.Thethesisintroducesthebackgroundofthesystemdevelopment,microcontrollertechnology,photoelectricdetection,mainlydiscussingthesystemrequirementsandfunctionaldesign,alsogivingtheoverallsystemarchitecture.ThedesignincludesthecircuitdesignofmainhardwarecircuitsystemandthroughthecablesystemviaMCUsystemittakecontrolofthecarbyordersbasedontheblockdiagramdesignsoftwarewithClanguageprogramming.Thethesisdiscussestheimportantpositonofintelligentsensorsystemstoday.

TheproducionprocessofsystemmainlyusesMC9SXS128powerfulfunction,suchasmulti-levelinterrupts,countersandpractical,multi-channelPWMmodulation,phase-lockedloopoverclockingfeaturesworkinglights.

Theprogramhassomeofthepracticalandforward-looking,intelligent,itisbasedonthecurrenturgentneedforintelligent.AndIwillsurelybelieveinthenearfuturefamilycarwillbecomemoreandmoreintelligent,unmannedvehiclewillbenolongeradream.

Keywords:

intelligentcar;MC9SXS128;photoelectricdetecting;tracking;PWMcontrol;programmingbyC

第1章综述

汽车工业发展已有100多年的历史。

自20世纪80年代以来，智能控制理论与技术在交通运输工程中越来越多地被应用，在这一背景下，智能汽车的概念应运而生。

所谓智能汽车，就是在网络环境下用信息技术和智能控制技术武装的汽车。

智能汽车是一种高新技术密集的新型汽车，研究人员正从智能汽车的信息系统、控制系统、网络环境及智能结构等几个方面进行研究。

智能汽车的设计和开发，将从根本上改变现有汽车的信息采集处理、数据交换、行车导航与定位、车辆控制的技术方案与体系结构。

自20世纪90年代以来，随着汽车市场竞争激烈程度的日益加剧和智能运输系统研究的兴起，国际上对于智能汽车及其相关技术的研究成为热门，一批有实力、有远见卓识的汽车行业大公司、研究院所和高等院校也正在展开智能汽车的研究。

国内外业界和学术界形成了共识，即现代汽车行业的新一轮竞争的焦点将是设计微电子技术、智能自动化技术、通信技术等新技术领域的智能汽车的研究与开发。

1.1系统开发背景

1.1.1智能车设计的意义

21世纪的汽车概念将发生根本性的变化。

现在的“汽车”是带有一些电子控制的机械装置，将来的“汽车”将转变为带有一些辅助机械的机电一体化装置，汽车的主要部分不再仅仅是个机械装置，它正向消费类电子产品转移。

据HP公司统计，目前世界平均每辆汽车在电子方面的投资约为1200美元，而且正在以每年15%的速率增加。

同时，智能汽车在传统汽车上配备了远程信息处理器、传感器和接收器，通过无线网络获取前方交通状况。

引导汽车加速或减速。

这样，汽车就能更为平稳地行驶，避免不断刹车、启动的动作，以降低油耗。

随着汽车电子控制技术的发展，中国的汽车工业将面临着巨大的发展机遇和挑战，开展智能汽车技术的研究与开发工作具有重要意义。

1.1.2智能车开发热潮

智能汽车是一种高新技术密集型的新型汽车，是今后的主流汽车产品。

而研究智能汽车所必需的理论与技术支持条件大部分已经基本具备。

正是基于这一点，国家上正在形成智能汽车研究、设计、开发、竞赛的热潮。

美国是世界上对智能汽车最为关注的国家。

美国交通部已开始一项五年计划，投入3500万美元，与通用汽车公司合作开发一种前后防撞系统。

同时，美国俄亥俄州立大学和加州大学以及其他一些研究机构正在进行全自动车辆的研制与改进工作。

CMU大学的NabLab5实验智能车是由Potiac运动跑车改装而成的，装有便携式计算机、摄像头、GPS全球定位系统、雷达和其他辅助设备。

1995年6月，NabLab5进行了横穿美国的实验NHAA（NoHandsAcrossAmerica）,从宾州的匹兹堡到加州的圣地亚哥，行程4587Km,其中自主驾驶部分占98.2%。

美国移动导航子系统（MNA）能计算出最佳的行驶路径，还能不断地接受现场的最新交通状况，给出连续更新的指向，让车辆始终沿着最理想的路线向前行驶。

此外，美国还将智能汽车的研究用于军事上，美国国防部采用无人车去执行危险地带的巡逻任务，目前正在进行第三代军用智能汽车的研究，称为DemoIII,能满足有路和无路条件下的车辆自动驾驶。

1.2微控制器简介及现状

MCU是MicrocontrollerUnit的缩写，即微控制器，国内又称单片机（SingleChipMicrocomputer）。

在20世纪70年代末，随着大规模集成电路的出现及发展，将微型计算机的核心部件CPU、RAM、ROM、定时器、计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成了芯片级的微型计算机。

微控制器已广泛地应用在人类现代化生活上，例如：

字母无绳电话、电子收款机、扫描仪、防盗及安全装置、汽车控制、计算机以及外设、传真机、乃至电子字典、MP3、MP4、DVD、数码相机、打印机、智能冰箱、洗衣机、电视机、变频空调、自动豆浆机等，均采用了一片乃至多篇微控制器，使之成为智能化产品。

在微型计算机的发展过程中，数据处理和输出/输入控制一直是微型计算机功能提升的两条主线，也是一对矛盾。

受功能、功耗、体积、重量、速度等指标的限制，要求每一种微型计算机同时具有这两方面的优异性能是极其困难的，也会限制其性价比的提升。

自1976年Intel公司首先推出MCS-48系列微控制器以来，微控制器以可靠性高，体积小，功能全、价格低等特点，得到广泛应用，为消费类和工业类智能化电子产品的发展奠定了基础，微型计算机技术也真正开始沿着微控制器和微处理器两个相互独立、完全不同的方向突飞猛进地发展。

世界微控制器的著名供应商主要有Intel、Freescale、Microchip、原三菱、ST、Philips、Zilog、Atmel、NEC、TI等。

近年来，韩国、中国台湾地区的一些企业也开始生产一些与上述著名企业兼容且更为廉价的微控制器。

以抢夺一些低端产品市场。

1.3Freescale微控制器概述

Freescale公司是目前全球领先的半导体公司之一，它为汽车电子、消费电子、工业控制、网络和无线市场设计并制造了众多的嵌入式半导体产品，拥有多达19000种产品。

Freescale公司是全球十大芯片制造商之一，2005年的收入达58亿美元，在8位，16位和32位微控制器领域均处于技术领先地位。

Freescale公司的MC家族以8位、16位、32位机位主，采用CISC体系，目前的主流8位机时9S08系列，16位机时HC9S12（X）系列，高级16位机时56F系列。

Freescale微控制器产品的技术根基课追溯到32年前。

1974年，Freescale推出了首款8位MC6800微处理器，之后便相继推出多种系列微控制器。

图1-1MC9S12XS128内部功能示意图

第2章硬件电路设计

2.1功能设计

基于目前社会对于智能化的迫切需求，家用汽车将来的发展趋势也将越来越趋向智能化，无人驾驶将会不再是梦想。

根据系统需求，需要满足的设计要求如下：

●通过光电原理，在黑白分明的道路上，能够自动追踪黑线，并进行判断路径。

●能够自动识别直道，及弯道，并进行是否做加速度或者减速度的判断。

●根据机械性能，使其能够过最小曲率半径为50CM的弯道。

●在十字交叉的黑线情况，能够智能识别路径。

●电池压降在7.8V时，能够稳定供电给电机，舵机以及微控制器。

2.2传感器系统

所谓传感器，即是将被测量按照一定的物理或化学原理转换成某种规定的输出信号的装置或器件。

通常，传感器由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件能够随着被测量的变化而引起某种易被测量的信号的变化，而转换元件则将敏感元件感受或相应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分，具体的电量形式取决于敏感元件的原理。

除此之外，由于转换元件的输出信号一般都很微弱，为方便传输、转换、处理及显示，通常有信号调理转换电路、辅助电路等，将转换元件输出的电信号进行放大或运算调制。

因此，传感器的组成通常包括敏感元件、转换元件、信号调理转换电路和辅助电路，随着半导体器件与集成技术的发展，传感器的信号调理转换电路与敏感元件、转换元件等一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。

2.2.1光电式传感器

光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。

光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换成相应的电量变化，从而实现非电量的测量。

光电式传感器的核心（敏感元件）是光电器件，光电器件，光电器件的基础是光电效应。

光电式传感器的结构简单，响应速度块，可靠性较高，能实现参数的非接触测量，因此广泛地应用于各种工业自动化仪表中。

光电式传感器课用来测量光学两或测量已先行转换为光学量的其他被测量，然后输出一定形式的电信号。

在测量光学量时，光学器件是作为敏感元件使用；而测量其他物理量时，它是作为转换元件使用。

光电式传感器由光路及电路两大部分组成，光路部分实现被测量信号对光亮的控制和调制，电路部分完成从光信号到电信号的转换。

见下图

图2-1环境监测示意图

常用的光电转换元件有真空光电管、充气光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电二极管及光电三极管等，它们的作用是检测照射在其上的光通量。

选用何种形式的光电转换元件取决于被测参数所需的灵敏度、响应的速度、光源的特性及测量环境和条件等。

2.2.2光电式传感器的选择

光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。

其中，伏安特性、光照特性和光谱特性是选择光电器件的主要指标。

针对以上因素，我起初选用了台湾亿光PT334-6B（接收管）以及IR333-A的发射管。

PT334-6B接收管的敏感波长峰值达980nm，有小波长范围在840-1200nm之间，导通电流为2.0mA~20mA,击穿特性:

Bvceo>30VBveco>5V,饱和特性：

Vce（sat）<0.4V，上升/下降时间：

15us，暗电流：

100nA（远远小于有光照的条件下的电流）。

而IR333-A

的导通电压为1.2V~1.5V之间。

为了使对地接收黑色引导线的效果更为明显，我还是用了LM324运算放大器，使信号放大后给MCU处理。

效果更优。

针对寻迹检测路径这一特殊的前提，主要两种方案，一种是光电式的，一种是摄像头式的，使用摄像头式的检测方案不仅能够得到丰富的路径信息，而且可实现远距离的前瞻，对车模重量及稳定性的影响也很小。

是否光电方案就真的不可得到连续的、前瞻性好的信息呢？

答案不是绝对的。

为了拥有更好的前瞻性，我大胆的采用了激光检测这一新型的方法。

利用激光检测的方法，可以通过收发激光信号达到更远的距离，加上透镜的接收管甚至可以接收到直径1米以外的距离。

接收发射原理见下图

图2-2激光发射电路图2-3激光接收电路

该电路中，R5、R8为限流电阻，R6用于分压（可去除），三极管Q2当做开关来使用，J4是一个激光调制管，经过测试，输出一个190KHZ左右的频率信号（另外，因为产品的批号不齐，有些输出的频率仅为170KHZ）。

激光接收部分，我使用了一种非常方便的接收管，它的输出只有1和0两种状态，当照射在黑线上时，接收管打开，输出高电平，反之，则输出低电平。

因为系统的使用环境比较偏向于二值化，因此，使用起来也更为简便。

但是也有一定的弊端，当遇到污渍等外部环境干扰时，容易出错，这时，需要进行软件清除。

另外，由于激光管的略微差异，可能接收信号时会因为环境光影响，而接收不到，因此接一个500欧的电位器进行条件。

由于激光管的功率比较小，其实理论上可以接一个更小值的电位器，使之精度更高。

C1为旁路电容，主要起滤波作用。

R3和D1构成了一个可视化的测试界面，在画PCB图时，我将每个接收管电路中加入了一个LED，这样大大的简化了调试的工作。

2.3电机驱动模块

在小车的制作中，对电机驱动电流的要求较高，电机驱动电路必不可少。

功率管的选择由电机的功率决定，PWM信号的占空比决定电机的转速，故电机的调速可通过改变PWM信号的占空比实现。

在我的设计当中，为了达到一个很好的过弯效果，需要在直线以高速运行，在过弯时的动作时急刹，减速之后过弯。

因此，电机的反转就由为重要。

为此，需要设计一个全桥驱动电路。

我第一次的设计中，是使用了一种比较简便的电路，采用了飞思卡尔的MC3886芯片做全桥驱动，其内部建构由一组MOS管构成，见下图。

图2-4MC33886内部结构

V+为电源电压（此处使用电池供电），IN1和IN2分别为MC33886的PWM信号输入端口。

MC33886的输出端口OUT1和OUT2分别接驱动电机的两端。

D1和/D2为芯片的使能端。

图2-5MC33886并联电路

但经过反复测试和使用之后，发现效果并不十分理想。

首先是导线的分布需要均匀的到达芯片的两端，不可一端过长、一端过短，否则将会出现芯片冷热不均匀的状态。

达不到最好的驱动效果。

其次，由于MC33886毕竟是集成芯片，将一个全桥集成在单个芯片中，当负载过大时，拉力明显不够。

于是我进行了第二次的改进。

我的第二次改进参考使用了P沟道的MOS管和N沟道的MOS管搭建全桥。

见下图。

图2-6mc33886+H桥电路

P管IRF4905最大74A，N管IRF3205最大110A，所以电路理论上最大电流能达到74A，并且这两款MOS管的内阻都很小，开启电压也足够低，因此效果较好。

在这里，33886只起到MOS管的栅极驱动作用，所以同时也解决了发热问题。

R1,R2电阻上拉使能。

当OUT1PWM信号时，当为高电平时，Q2导通，VCC经过Q2流向MOTOR的2号接口，然后从回路流向Q3，因为OUT2口是低电平，所以N沟道增强型MOS管此时处于工作状态，电流导通至地。

当OUT2口输出时，原理相同。

2.4供电模块

2.4.1稳压芯片的选择

在整个系统的设计中，因为电池电压是7.8V，而微控制器、激光收发电路以及舵机控制电路所使用的均是5V电压，如果能够给予系统稳定的电压，是一个不容忽视的问题。

电压调节器件使用最多的是线性稳压器件（如78XX系列的三端稳压器件）虽然这种线性稳压器具有输出电压恒定或可调、稳压精度高的优点，但足由于其线性调整工作方式在工作中会造成较大的“热损失”（其值为V压降×I负荷），导致其电源利用率不高、工作效率低下，不易达到便携式设备对低功耗的要求。

于线性稳压器件相比，开关电源调节器以完全导通与截止时间，有效的介绍工作中的“热损失”，保证了较高的电源利用率。

开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的糕饼干扰具有较强的抑制只用。

同时由于其低功耗特点，在进行电路板设计时，可以减少散热片的体积和PCB板的面积，有时甚至不需要加装散热片，方便了电路设计与使用，但是由于其工作降压要求在1.0V以上，却限制了该类型开关电源在某些便携式移动设备上的使用。

针对线性稳压电源与开关电源存在较高工作降压的问题使得这两类电源调节期间不易广泛应用于便携式移动设备中，我采用了一种低压差线性电源芯片TPS76850来作为智能车的电源调节器件。

TPS76850具有输入电压范围大，过热，过流及电压反接保护，输出电流为150mA时压差小于0.1V等特点，特别是党其输出电流为100mA时，压差仅为0.035V，TPS76850能够保证电池电压在+7V--+5.1V范围内变化时，输出稳定的5V电压，显著的提高了电源的利用效率。

2.4.2TPS768XX系列概述

TPS768XX是美国TI公司生产的微功耗，低压差电源管理芯片，它具有节电关断模式与输出电压监控功能，极低的静态电流且不随负载变化；集成延时微处理器复位功能保证系统的正常工作；具有完善的保护电路，包括过热、过流及电压反接保护。

利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

TPS768XX系列的开关稳压集成电路的主要特性如下：

●有2.5V、3V、3.3V、4.85V与5V这几种固定输出型器件；

●集成的精密电源电压监控器，可对稳压器的输出电压进行监控；

●低电平有效的复位信号，脉冲宽度为200MS;

●极低压差为100mA时，最大值为35mV;

●低静态电流与负载无关，典型值为340uA;

●极低的休眠状态电流—最大值为0.5uA;

●在整个负载，电源与温度范围内，固定输出型器件的容积为2%；

●输出电流范围为:

0mA—500mA；

●在要求严格的应用中，TSSOP封装课降低元件的高度。

TPS768XX内部框图如下：

图2-7TPS768XX内部结构图

由于TPS768XX系列产品采用了PMOS工艺，保证了该器件在全负载范围内极低的工作电流，甚至在稳压器下降时也能保证其低静态电流不变的特点。

TPS768XX的内部比较器监控稳压器的输出电压，以此来检测欠压情况。

正因为改电路监控着稳压器的输出电压，RESET输出端也可以通过禁止稳压器或者通过任何导致输出电压下降到低于Vn的故障条件来处罚。

这些故障情形包括，输出端的短路活输入电压低。

一旦输出电压被重新配置，无论是通过重新使能稳压器还是通过排除故障条件，内部定时器都会被启动，这样就会被RESET信号在200ms（典型值）的超时周期内处于有效状态，将该RESET引脚接至微处理器的复位端，课在微型新计算机与微处理器系统中启动一次复位操作，实现电源电压的复位。

使用该复位操作，不仅能够保证系统的稳定与可靠工作，而且减少外部复位电路的设计。

在对输出噪声有严格要求的应用场合，选用了TPS768XX是最佳选择。

2.4.3性能比较

为了能够更好的说明TPS768XX在实际使用的优点，我比较了相同温度、相同输出电压条件按下7805，LM2576，TPS76850的性能。

表2-1稳压电源芯片比较

7805

LM2576

TPS7350

最小压降

1.7V

1.0V

0.035V

最小静态工作电流

6mA

5mA

340uA

输出